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1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传 感 器（第5版）,哈尔滨工业大学 唐文彦 主编,第一节 超声波传感器 第二节 微波式传感器 第三节 射线式传感器,第十章 波式和射线式传感器,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,返回主目录,一、超声波及其物理性质 1.概述 波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播 声波：其频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波 次声波：低于16 Hz的机械波 超声波：高于2104 Hz的机械波 微波：频率在310831011 Hz之间的波 如图11-1所示。,第十章 波式和射线式传感器,第一节超声波式传感器,图11-1 声波的频率界限,当超声波由一种介质入
2、射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。,第一节超声波式传感器,2. 超声波的波型及其转换 声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。通常有： 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播； 横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播； 表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。,第一节超声波式传感器,声速随温度的增加而减小。此外，水质、压强也会引起声速的变化。 在固体中，纵波、横波及其表面波三者的
3、声速有一定的关系， 通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344 m/s，液体中纵波声速在9001900m/s。,第一节超声波式传感器,图11-2 超声波的反射和折射,3. 超声波的反射和折射 由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角的正弦与反射角的正弦之比等于波速之比。 当波在界面处产生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即,第一节超声波式传感器,4. 超声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强
4、的衰减规律为 式中 p、I 面波在处的声压和声强； p0、I0 面波在=0处的声压和声强； 衰减系数。 ,第一节超声波式传感器,二、超声波传感器概述 超声探头分类： （1）按发声原理分类。分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。 （2）按波型分类。按照在被探工件中产生的波型不同可分为纵波探头、横波探头、板波（兰姆波）探头和表面波探头。 （3）按入射波束方向分类。可分为直探头和斜探头。前者入射波束与被探工件表面垂直，后者入射波束与被探工件表面成一定的角度。 ,第一节超声波式传感器,（4）按耦合方式分类。按照探头与被探工件表面的耦合方式可分为直接接触式探头和液浸式探头。前者通过薄层
5、耦合剂与工件表面直接接触，后者与工件表面之间有一定厚度的液层。 （5）按声束形状分类。按照超声波声束的集聚与否可分为聚焦探头和非聚焦探头。 （6）按频谱分类。按照超声波频谱可分为宽频带探头和窄频带探头。 （7）特殊探头。除一般探头外，还有一些在特殊条件下和用于特殊目的的探头。如机械扫描切换探头、电子扫描阵列探头、高温探头、瓷瓶探伤专用扁探头（纵波）及S型探头（横波）等。 ,第一节超声波式传感器,超声波测距原理:超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相介面经过反射后，再返回到接收探头。发射探头利用逆压电效应。接收探头利用正压电效应。常用的材料是压电晶体和压电陶瓷。超声波探头的具体结构如图11
6、-3所示。 ,第一节超声波式传感器,压电式超声波探头多为圆板形，超声波频率f与其厚度成反比， 式中 E11晶片沿轴方向的弹性模量； 晶片的密度。 从上式可知，压电晶片在基频上作厚度振动时，晶片厚度相当于晶片振动的半波长，我们可依此规律选择晶片厚度。 石英晶体的频率常数是2.87MHzmm、锆钛酸铅陶瓷(PZT)频率常数是1.89MHzmm，表示石英片厚1mm时，其振动频率为2.87MHz，PZT片厚1mm时，振动频率为1.89MHz。,第一节超声波式传感器,三、超声波传感器的应用实例 利用超声波传感器可以实现对液位、流量、流速、浓度、厚度等测量，还可以进行材料的无损探伤、医学检测等。,第一节超
7、声波式传感器,图11-4 脉冲回波法测厚方框图,图11-4所示为脉冲回波法检测厚度的工作原理，工件厚度计算公式： 式中，v超声波在工件中的声速； T脉冲波从发射到接收的时间间隔。,一、微波的基础知识 微波是波长为1 mm1 m的电磁波，可以细分为三个波段： 分米波、厘米波、毫米波。微波既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波的性质，是一种相对波长较长的电磁波。微波具有下列特点： 定向辐射的装置容易制造； 遇到各种障碍物易于反射； 绕射能力差； 传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光的影响很小； 介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例， 水对微波的吸收作用最强。,第二节 微波式传感
8、器,第十章 波式和射线式传感器,二、 微波传感器概述 微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测。 根据微波传感器的原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。,第二节 微波式传感器,1. 反射式微波传感器 反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测量的。通常它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。 2. 遮断式微波传感器 遮断式微波传感器是
9、通过检测接收天线收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度、 含水量等参数的。,第二节 微波式传感器,三、 微波传感器的应用 1.微波液位计 接收天线接收的功率Pr可表示为 式中 d两天线与被测液面间的垂直距离； s两天线间的水距离； Pt、Gt发射天线发射的功率和增益； Gr接收天线的增益。,图11-5 微波液位计,当发射功率、波长、增益均恒定时，只要测得接收功率Pr就可获得被测液面的高度 d。,第二节 微波式传感器,2.微波物位计 当被测物位低于设定物位时，接收天线接收的功率为 被测物位升高到天线所在高度时，接收天线接收的功率为 式中 由被测物形状、材料性质
10、、电磁性能及高度所决定的系数。,图11-6 微波开关式物位计示意图,第二节 微波式传感器,射线式传感器也称核辐射检测装置，它是利用放射性同位素，根据被测物质对放射线的吸收、反散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作的。 一、核辐射的物理基础 1. 放射性同位素 根据实验可得出放射性衰变规律 式中 I0开始时(t=0)的放射源强度； It时的放射源强度； 放射性衰变常数。,第三节射线式传感器,第十章 波式和射线式传感器,元素衰变的速度取定于的量值，愈大则衰变愈快。习惯上常用和有关的另一个常数即半衰期来表示衰变的快慢。放射性元素从N0个原子衰变到N0/2个原子所经历的时间，称为半衰期。可以求出
11、 和一样是不受任何外界作用影响而且和时间无关的恒量，不同放射性元素的半衰期是不同的。,第三节射线式传感器,2. 核辐射 放射性同位素在衰变过程中放出一种特殊的带有一定能量的粒子或射线，这种现象称为放射性或核辐射。其放出的粒子或射线有以下几种： (1)粒子 粒子主要用于气体分析，测量气体压力、流量等。 (2)粒子 粒子用于测量材料厚度、密度等。 (3)射线 它是一种电磁辐射。射线在物质中的穿透能力很强，能穿透几十厘米厚的固体物质，在气体中射程达数百米。射线广泛应用于金属探伤、测量大厚度等。,第三节射线式传感器,3. 核辐射与物质的相互作用 核辐射与物质的相互作用主要是电离、吸收和反射。 和射线比
12、射线的穿透能力强。当它们穿过物质时，由于物质的吸收作用而损失一部分能量。辐射在穿过物质层后，其能量强度按指数规律衰减，可表示为 式中 I0入射到吸收体的辐射通量的强度； I穿过厚度为h(单位为cm)的吸收层后的辐射通量强度； 线性吸收系数。,第三节射线式传感器,实验证明，比值/(是密度)几乎与吸收体的化学成份无关。这个比值叫做质量吸收系数，常用 表示。此时式(11-9)可改写成 设质量厚度 ，则吸收公式可写成 这些公式是设计核辐射测量仪器的基础。 射线在物质中穿行时容易改变运动方向而产生散射现象，向相反方向的散射就是反射，有时称为反散射。反散射的大小与粒子的能量、物质的原子序数及厚度有关。利用
13、这一性质可以测量材料的涂层厚度。,第三节射线式传感器,二、射线式传感器 射线式传感器主要由放射源和探测器组成。 1. 放射源 最常用的放射性同位素有80Co、137Cs、241Am及90Sr等。,第三节射线式传感器,放射源一般为圆盘状，射线辐射源一般为丝状、圆柱状或圆片状。图11-7所示为厚度计放射源容器，射线出口处装有耐辐射薄膜，以防灰尘侵入，并能防止放射源受到意外损伤而造成污染。,图11-7 放射源容器图,2. 探测器 探测器就是核辐射的接收器，常用的有电离室、闪烁计数器和盖革计数管。 (1)电离室 电离室主要用于探测、粒子，它具有成本低、寿命长等优点。但输出电流较小，而且探测、粒子和射线
14、的电离室互不通用。 ,第三节射线式传感器,图11-8 电离室工作原理,(2)闪烁计数器 它由闪烁晶体（简称闪烁体）和光电倍增管组成。当核辐射进入闪烁晶体时，使闪烁晶体的原子受激发光，光透过闪烁晶体射到光电倍增管用的光阴极上打出光电子并在倍增管中倍增，在阳极上形成电流脉冲，最后被电子仪器记录下来，这就是闪烁计数器记录粒子的基本过程。,第三节射线式传感器,图11-9 闪烁计数器示意图,(3)盖革计数管 它是一个密封玻璃管1，中间一条钨丝2为工作阳极，在玻璃管内壁涂上一层导电物质或另放一金属圆筒3作为阴极。管内抽空后充气，充入气体由两部分组成，主要是惰性气体如氩、氖等，另一部分是加入有机物(如乙醚、
15、乙醇等)。充进有机物的叫有机物计数管；充入卤素的叫卤素计数管。由于卤素计数管寿命长，工作电压低，因而应用较广泛。 ,第三节射线式传感器,图11-10 盖革计数管结构示意图,三、射线式传感器的应用 射线式传感器可以检测厚度、液位、物位、转速、材料密度、重量、气体压力、流速、温度及湿度等参数，也可用于金属材料探伤。 1.核辐射厚度计,第三节射线式传感器,图11-12 核辐射厚度计原理框图,放射源在容器内以一定的立体角放出射线，其强度在设计时已选定，当射线穿过被测体后，辐射强度被探测器接收。在辐射厚度计中探测器常用电离室，根据电离室的工作原理，这时电离室就输出一电流，其大小与进入电离室的辐射强度成正比。 2.核辐射物位计 不同介质对射线的吸收能力是不同的，固体吸收能力最强，液体次之，气体最弱。若核辐射源和被测介质一定，则被测介质高度H与穿过被测介质后的射线强度I的关系为 式中I0、I穿过被测介质前、后的射线强度； 被测介质的吸收系数。,第三节射线式传感器,探测器将穿过被测介质的I值检测出来，并通过仪表显示H值。目前用于测量物位的核辐射同位素有60Co及137Cs，因为它们能发射出很强的射线，半衰期较长。射线物位计一般用于冶金、化工和玻璃
